LCD

LCD（Liquid Crystal Display，液晶显示器）是 ESP32 项目中最常用的屏幕类型：全彩显示、尺寸和分辨率选择多、价格低、驱动生态成熟。若尚未确定屏幕选型，LCD 是适合入门的类型。

本章介绍 LCD 的成像原理与常见驱动 IC。阅读本章前，建议先了解显示基础与接口中的公共概念。

1. 显示原理

LCD 属于透射式显示：液晶本身不发光，画面的光来自屏幕最底层的背光（Backlight），液晶层的作用是控制透过的光量。下面从像素的构成开始，说明颜色的控制方式。

1.1 像素的组成与排列

用放大镜观察一块点亮的 LCD，会发现每个像素并不是一个整体，而是由红（R）、绿（G）、蓝（B）三个细长的子像素（Subpixel）并排组成，最常见的是纵向条状排列（RGB Stripe）。

像素由 R/G/B 三个子像素组成，亮度组合混合出颜色

因此，一块 240×320 的屏幕，面板上实际排布着 720（240×3）列 × 320 行的子像素阵列。子像素是面板上最小的控制单元：每个子像素有独立的电极，可以单独控制；但其上方覆盖的滤光片颜色固定，因此子像素不能变色，只能调节自身的亮度。

控制一个像素的颜色，等价于分别设定其 R、G、B 三个子像素的亮度：三者全亮为白色，全灭为黑色，仅 R 亮为红色，R、G 同亮为黄色。正常视距下人眼无法分辨单个子像素，感知到的是三者混合后的颜色。

1.2 子像素如何控光

子像素的亮度由面板的多层结构配合调节。实际面板由多层材料叠合而成，与控光直接相关的部分可简化为以下几层（从背光到屏幕表面）：

LCD Transmissive Display Principle

背光层：LED 光源加导光板，提供均匀的白色光，常亮。
偏光片（垂直）：背光发出的是向各个方向振动的自然光，穿过这一片后，只剩下沿垂直方向振动的偏振光。
液晶层：液晶分子呈螺旋状扭转排列，会使穿过的偏振光方向随之旋转。向子像素电极施加电压后，分子趋于沿电场方向排齐：电压越高，扭转越弱，偏振方向被旋转的角度越小。
偏光片（水平）：透光方向与第一片垂直，只放行水平方向的偏振光。透光量由前一层的旋转角度决定：液晶完整扭转 90° 时，偏振方向恰好转为水平，光全部通过（最亮）；液晶不扭转时，偏振方向保持垂直，光被完全挡住（最暗）；旋转角度介于两者之间时，光部分通过。电压连续可调，透光量（亮度）随之连续可调，因此液晶层常被称为电压控制的光阀（Light Valve）。
彩色滤光片：覆盖在子像素上的滤色膜，只放行对应颜色。比如，R 子像素的滤光片只让红光通过，G、B 也是同理。

注意两片偏光片的方向是互相垂直的：若没有液晶层，垂直偏振光将被水平偏光片完全挡住，屏幕恒为黑色。液晶层的作用，正是在这两片偏光片之间按电压调节偏振方向的旋转角度。综合各层分工：背光提供光源，两片偏光片限定偏振方向，液晶的扭转角度决定透光量，滤光片决定输出颜色，每个子像素由此成为一个亮度可调的单色光点。

1.3 从像素数据到颜色

结合以上两节，即可完整描述像素数据到颜色的转换过程。以 RGB565 格式为例，16 位数据中 R 占 5 位、G 占 6 位、B 占 5 位，对应 R、B 子像素各 32 级亮度、G 子像素 64 级（这一位数分配的缘由见显示基础与接口的色深章节）。驱动 IC 收到像素值后，将三个分量分别转换为对应子像素的驱动电压，控制各自的透光量：

像素值（RGB565）	R / G / B 分量	子像素状态	显示颜色
`0xFFFF`	31 / 63 / 31	全部最大透光	白
`0x0000`	0 / 0 / 0	全部遮光	黑
`0xF800`	31 / 0 / 0	仅 R 透光	红
`0xFFE0`	31 / 63 / 0	R、G 透光	黄

后续章节的核心任务，本质上是将一帧这样的像素值写入驱动 IC 的 GRAM（Graphics RAM，图形随机存取存储器），剩下的电压转换由驱动 IC 自动完成。

这一原理也解释了 LCD 的两个固有特点：

黑色不够纯：显示黑色时背光仍然常亮，液晶只能尽量遮挡而无法完全挡住，因此黑色偏灰，对比度低于自发光的 OLED / AMOLED。
功耗与画面内容无关：功耗主要来自背光，无论显示何种内容，背光都以相同功率工作。

1.4 TN 与 IPS

按液晶分子的排列方式，嵌入式常见的 LCD 面板分为两类：

面板类型	可视角	色彩表现	成本
TN	窄，斜视时偏色发白	一般	低
IPS	接近全视角	好	略高

2. 特性与局限

优势：

全彩显示，是运行彩色 GUI（如 LVGL，Light and Versatile Graphics Library）的常用屏幕类型。
尺寸与分辨率覆盖广，从 0.96 英寸到 7 英寸以上均有成熟产品。
成本在各类彩屏中最低，驱动资料和库支持丰富。
无烧屏问题，适合长时间显示固定内容（对比 OLED / AMOLED）。

局限：

背光持续耗电，不适合电池供电的常显场景。背光可通过 PWM 调光降低功耗（对应模块的 BL 引脚）。
对比度有限，黑色发灰。
阳光直射下，背光被环境光淹没，可读性一般。

若应用对功耗或户外可读性要求较高，可参考显示屏总览评估 RLCD 或 E-Paper 方案。

3. 常见驱动 IC 与接口

一块 LCD 模组通常由面板、背光源、驱动 IC 和 FPC 排线四部分构成。面板由驱动 IC 控制，主控实际通信的对象是这颗 IC。选屏或编程时，驱动 IC 型号比屏幕尺寸更关键：它决定了初始化命令、支持的接口和分辨率上限。常见型号如下：

驱动 IC	常见分辨率 / GRAM	常见接口	常见屏幕
ST7735S	132×162	SPI	0.96～1.8 英寸小屏
GC9A01	240×240	SPI	1.28 英寸圆形屏
ST7789	240×320	SPI / I80	1.3～2.4 英寸，最常见
ST7796	320×480	SPI / I80	3.5～4 英寸
AXS15231B	320×480 / 172×640	QSPI	3.49～3.5 英寸屏
ST77916	360×360	QSPI	1.85 英寸圆形 / 方形屏

几点说明：

SPI、I80、QSPI 屏通常由驱动 IC 接收像素数据并完成屏内刷新；RGB 屏由 ESP32-S3 持续输出显示时序，驱动方式不同，本表不展开。
同一颗 IC 往往支持多种接口，实际可用哪种取决于面板引出的排线；微雪模块的接口类型见对应产品页。
面板分辨率可以小于 IC 的 GRAM 分辨率。例如 1.69 英寸屏为 240×280，使用 ST7789（GRAM 为 240×320），显示区域相对 GRAM 存在 20 行偏移。这正是驱动代码中偏移量（offset）参数的来源，配置错误会导致画面错位或边缘花屏。

4. Arduino + Arduino_GFX 点亮示例

关于开发板的兼容性

本节核心逻辑适用于所有 ESP32 开发板，操作步骤以 微雪 ESP32-S3-Touch-LCD-1.69 为例。该开发板板载 1.69 英寸 240×280 IPS 屏，驱动 IC 为 ST7789V2。如果使用其他开发板或屏幕模块，只需替换引脚定义和驱动 IC 对应的类即可。

示例使用社区开源的 GFX Library for Arduino（Arduino_GFX）。它支持 SPI / QSPI / I80 / RGB 多种总线和绝大多数常见驱动 IC，是 Arduino 下驱动彩屏的通用选择。

4.1 安装库

在 Arduino IDE 的库管理器（工具 > 管理库）中搜索 GFX Library for Arduino 并安装。其他安装方式参考 Arduino 库管理教程。

4.2 确认引脚

ESP32-S3-Touch-LCD-1.69 的屏幕已直连主控，引脚固定如下（使用屏幕模块时按实际接线修改）：

信号	GPIO	说明
LCD_DC	GPIO4	命令 / 数据选择
LCD_CS	GPIO5	片选
LCD_CLK	GPIO6	SPI 时钟
LCD_DIN	GPIO7	SPI 数据（MOSI）
LCD_RST	GPIO8	复位
LCD_BL	GPIO15	背光控制

4.3 示例代码

#include <Arduino_GFX_Library.h>

// 引脚定义（ESP32-S3-Touch-LCD-1.69 或 ESP32-S3-LCD-1.69）
#define LCD_DC 4
#define LCD_CS 5
#define LCD_CLK 6
#define LCD_DIN 7
#define LCD_RST 8
#define LCD_BL 15

// 1. 创建 SPI 总线对象
Arduino_DataBus *bus = new Arduino_ESP32SPI(
    LCD_DC, LCD_CS, LCD_CLK, LCD_DIN, GFX_NOT_DEFINED /* 无需 MISO */);

// 2. 创建显示对象：ST7789，240×280，IPS 面板，GRAM 偏移 20 行
Arduino_GFX *gfx = new Arduino_ST7789(
    bus, LCD_RST, 0 /* 初始方向 */, true /* IPS */,
    240 /* 宽 */, 280 /* 高 */,
    0 /* 列偏移1 */, 20 /* 行偏移1 */,
    0 /* 列偏移2 */, 20 /* 行偏移2 */);

void setup() {
  // 3. 初始化屏幕
  gfx->begin();

  // 4. 打开背光
  pinMode(LCD_BL, OUTPUT);
  digitalWrite(LCD_BL, HIGH);

  // 5. 清屏
  gfx->fillScreen(RGB565_BLACK);

  // 6. 显示文字
  gfx->setTextColor(RGB565_WHITE);
  gfx->setTextSize(2);
  gfx->setCursor(60, 120);
  gfx->println("Hello, LCD!");

  // 7. 绘制白色矩形框
  gfx->drawRect(20, 100, 200, 60, RGB565_WHITE);

  // 8. 在底部绘制色块
  int blockY = 230;
  int blockW = 40;
  int blockH = 40;

  gfx->fillRect(0,   blockY, blockW, blockH, RGB565_RED);
  gfx->fillRect(40,  blockY, blockW, blockH, RGB565_GREEN);
  gfx->fillRect(80,  blockY, blockW, blockH, RGB565_BLUE);
  gfx->fillRect(120, blockY, blockW, blockH, RGB565_YELLOW);
  gfx->fillRect(160, blockY, blockW, blockH, RGB565_CYAN);
  gfx->fillRect(200, blockY, blockW, blockH, RGB565_MAGENTA);
}

void loop() {
}

编译并烧录后，屏幕显示黑底白字 "Hello, LCD!"、白色矩形边框，以及底部一排红、绿、蓝、黄、青、品红色块。

代码中的两个构造对象对应显示基础与接口中的分层：Arduino_DataBus 负责总线传输（更换接口只需替换该类），Arduino_ST7789 负责驱动 IC 的命令（更换驱动 IC 只需替换该类）。gfx->begin() 完成复位和初始化序列，之后的绘图 API 底层执行的均为设置窗口与写入像素两类操作。

对本库而言，与具体硬件相关的只有引脚定义和这两个构造对象。显示对象初始化完成后，绘图部分与硬件无关：既可以将这段配置代入库自带的其他示例（文件 > 示例 > GFX Library for Arduino）直接运行，也可以在此基础上调用绘图 API 编写自己的画面。

构造函数中的行偏移 20，来自 GRAM 与面板高度之差：ST7789V2 的 GRAM 为 240×320，面板实际显示区域只有 240×280，相差 40 行。面板在 GRAM 寻址范围内居中排布，因此上下各留出 40÷2=20 行未使用的区域，行偏移即为这部分空白。列偏移为 0，是因为宽度方向面板与 GRAM 均为 240，没有差值需要补偿。更换其他分辨率的面板或驱动 IC 时，可按同样的思路，用 GRAM 分辨率减去面板分辨率再折半，推算对应的 offset。两类构造对象支持的总线、驱动 IC 与完整参数说明见 Arduino_GFX 官方 wiki 的 Data Bus Class 与 Display Class 页面。

4.4 旋转显示方向

ST7789V2 可通过 MADCTL 寄存器调整行列扫描方向。Arduino_GFX 在 Arduino_ST7789 构造函数和 setRotation() 中均提供了方向参数，取值 0～3，表示四个相差 90° 的显示方向。旋转后，库会同步调整坐标系和 GRAM 偏移；横屏方向下，逻辑宽高也会互换。

旋转值	相对于方向 0	逻辑分辨率
`0`	0°	240×280
`1`	90°	280×240
`2`	180°	240×280
`3`	270°	280×240

创建 Arduino_ST7789 对象时，构造函数的第三个参数用于设置初始方向。例如，下面代码中的 0 /* 初始方向 */ 表示按方向 0 启动；若屏幕只需固定为横屏，可将其改为 1 或 3，无需在运行过程中再次调用 setRotation()。setRotation() 用于初始化后动态切换显示方向。

以下完整程序每隔 2 秒切换一次显示方向，边框和文字会按旋转后的坐标系重新绘制：

#include <Arduino_GFX_Library.h>

// 引脚定义（ESP32-S3-Touch-LCD-1.69 或 ESP32-S3-LCD-1.69）
#define LCD_DC 4
#define LCD_CS 5
#define LCD_CLK 6
#define LCD_DIN 7
#define LCD_RST 8
#define LCD_BL 15

// 创建 SPI 总线对象
Arduino_DataBus *bus = new Arduino_ESP32SPI(
    LCD_DC, LCD_CS, LCD_CLK, LCD_DIN, GFX_NOT_DEFINED /* 无需 MISO */);

// 创建显示对象：ST7789，240×280，IPS 面板，GRAM 偏移 20 行
Arduino_GFX *gfx = new Arduino_ST7789(
    bus, LCD_RST, 0 /* 初始方向 */, true /* IPS */,
    240 /* 宽 */, 280 /* 高 */,
    0 /* 列偏移1 */, 20 /* 行偏移1 */,
    0 /* 列偏移2 */, 20 /* 行偏移2 */);

void drawRotationDemo(uint8_t rotation) {
  gfx->setRotation(rotation);
  gfx->fillScreen(RGB565_BLACK);

  gfx->drawRect(0, 0, gfx->width(), gfx->height(), RGB565_WHITE);
  gfx->setTextColor(RGB565_WHITE);
  gfx->setTextSize(2);
  gfx->setCursor(10, 10);
  gfx->print("Rotation: ");
  gfx->println(rotation);

  gfx->setCursor(10, 40);
  gfx->print(gfx->width());
  gfx->print(" x ");
  gfx->println(gfx->height());
}

void setup() {
  // 初始化屏幕
  gfx->begin();

  // 打开背光
  pinMode(LCD_BL, OUTPUT);
  digitalWrite(LCD_BL, HIGH);
}

void loop() {
  static uint8_t rotation = 0;

  drawRotationDemo(rotation);
  rotation = (rotation + 1) % 4;
  delay(2000);
}

setRotation() 只改变后续绘图使用的坐标系。切换方向后，应清屏并重新绘制画面。

4.5 常见问题

现象	常见原因	处理
屏幕全白 / 无显示	接线或引脚定义错误；背光未打开	核对引脚表；确认 BL 已置高
画面偏移、边缘花屏	GRAM 偏移量不对	按面板实际分辨率设置构造函数中的 offset 参数
颜色反转（黑白颠倒）	IPS 参数与面板不符	切换构造函数中的 `ips` 参数，或调用 `invertDisplay()`
红蓝颠倒	RGB / BGR 子像素顺序不符	多数驱动类提供颜色顺序参数，或查阅所用库的说明
显示正常但很慢	SPI 频率过低	初始化时通过 `gfx->begin(80000000)` 指定更高的 SPI 时钟频率（显示类会将其转发给总线）

文档反馈

1. 显示原理​

1.1 像素的组成与排列​

1.2 子像素如何控光​

1.3 从像素数据到颜色​

1.4 TN 与 IPS​

2. 特性与局限​

3. 常见驱动 IC 与接口​

4. Arduino + Arduino_GFX 点亮示例​

4.1 安装库​

4.2 确认引脚​

4.3 示例代码​

4.4 旋转显示方向​

4.5 常见问题​